異構(gòu)雙腿行走機(jī)器人開發(fā)與協(xié)調(diào)控制研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人類社會(huì)的各個(gè)生活領(lǐng)域。雙足機(jī)器人是步行方式中自動(dòng)化程度最高、最為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。在90年代，雙足機(jī)器人從一般性的擬人腿部行走上升到全方位的擬人，即仿人型機(jī)器人的研究。雙足機(jī)器人研究的一個(gè)初衷就是通過(guò)對(duì)人類自身行走機(jī)制的研究，開發(fā)出合理的假肢機(jī)構(gòu)用來(lái)代償殘疾人殘缺的下肢假肢。目前，假肢已經(jīng)從傳統(tǒng)的機(jī)械式假肢發(fā)展到基于微處理器控制的智能假肢階段。裝配智能下肢假肢的殘疾人能夠“活動(dòng)自如”。

2、 在智能假肢的研發(fā)過(guò)程中，需要做大量的、多樣的、重復(fù)性好的殘疾人行走實(shí)驗(yàn)，這對(duì)假肢性能的檢驗(yàn)及改進(jìn)設(shè)計(jì)尤為重要。然而由于殘疾人自身的物理缺陷，做此類實(shí)驗(yàn)是非常困難的。目前的假肢實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠較好地研究其擺動(dòng)相和支撐相性能，然而不能研究殘疾人穿戴智能假肢后的行走動(dòng)態(tài)特性，包括行走的穩(wěn)定性，殘疾人與智能假肢的人機(jī)協(xié)調(diào)以及假肢對(duì)健康腿的步態(tài)跟隨等。 仿人機(jī)器人研究的目的就是最終實(shí)現(xiàn)全方位的擬人，而智能假肢的研究恰恰需要一種能夠高度擬人的

3、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在分析了雙足機(jī)器人、仿人機(jī)器人以及智能假肢研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，我們將雙足機(jī)器人的研究與智能假肢的研究結(jié)合起來(lái)，提出了異構(gòu)雙腿行走機(jī)器人(Biped Robot with Heterogeneous Legs，BRHL)這一新型機(jī)器人模式。本文詳細(xì)闡述了其研究背景、研究意義、研究?jī)?nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)。 在分析了智能假肢設(shè)計(jì)的仿生性要求的基礎(chǔ)上，本文給出了BRHL的總體設(shè)計(jì)方案，分別闡述了人工腿及仿生腿的詳細(xì)設(shè)計(jì)。針對(duì)4-bar膝

4、關(guān)節(jié)進(jìn)行了機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)；詳細(xì)分析了BRHL的擬人特性。 基于拉格朗日第一類方程及分割建模的思想，分別建立了人工腿和仿生腿的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，以及針對(duì)支撐相和擺動(dòng)相的動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行了仿真計(jì)算；在闡述了目前磁流變阻尼器建模方法的基礎(chǔ)上，提出了修正的Sigmoid建模方法；針對(duì)BRHL系統(tǒng)的高階代數(shù)一微分動(dòng)力學(xué)方程正解問(wèn)題，本文提出了帶誤差反饋的預(yù)估-校正數(shù)值積分算法并進(jìn)行了相應(yīng)的仿真計(jì)算。 通過(guò)對(duì)人類行走步態(tài)的描述及步行運(yùn)

5、動(dòng)的分析，總結(jié)了人類步行規(guī)律。介紹了雙足機(jī)器人以及仿人機(jī)器人常用的步態(tài)規(guī)劃方法；基于人類步行規(guī)律及步態(tài)跟隨優(yōu)化的思想，闡述了BRHL步態(tài)規(guī)劃方法：論述了步態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、步態(tài)感知及步態(tài)的在線調(diào)整；基于虛擬樣機(jī)對(duì)BRHL進(jìn)行了步態(tài)仿真。討論了BRHL的主從式協(xié)調(diào)控制方法，建立了BRHL的分層遞階控制體系。針對(duì)磁流變阻尼器設(shè)計(jì)了其性能測(cè)試平臺(tái)，進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。論述了虛擬樣機(jī)聯(lián)合仿真的概念和方法，基于一階P型開閉環(huán)迭代學(xué)習(xí)控